Design and Analysis of a 25GHz Mach-Zehnder with a Programmable Continuous-Time Linear Equalizer for High-Speed Optical Communications Using CMOS 65nm Technology

Abstract

Este trabalho tem por objetivo o desenvolvimento e análise de um laser driver utilizado para transmissão de sinais ópticos de alta velocidade. No decorrer deste trabalho, serão analisadas as topologias selecionadas, as decisões de desenvolvimento adotadas, trade-offs enfrentados, técnicas aplicadas para extensão de banda e os resultados obtidos. O projeto é integrado com a tecnologia CMOS 65nm, visando a transmissão de sinais de modulação PAM4 a 28 Gbaud/s. Em sua saída o circuito incorpora um driver em lógica de modo corrente com excursão de 2.2 Vpp,d , além de constar com um equalizador de tempo contínuo programável, capaz de se adequar quantitativamente a diferentes perdas de canal, fornecendo uma pré-equalização de até 6dB. As medições de desempenho indicam um ganho de 8dB, com uma banda de 25 GHz. Em testes com sinais de entrada PAM4, o diagrama de olho do sinal de saída apresentou uma abertura de olho de 288 mV e uma largura de olho de 14.43 ps em 2.2 Vpp,d na saída. O driver possui baixa distorção, caracterizada por um THD de 5\% a 2.2 Vpp,d. O circuito opera com uma fonte de tensão de 3V, fonte de corrente de 1mA e possui um consumo de potência de 506 mW.

This work aims to design and analyze a laser driver used for high-speed optical signal transmission. Throughout this study, the selected topologies, design choices, trade-offs, bandwidth extension techniques, and obtained results will be examined. The project is integrated using 65nm CMOS technology, targeting PAM4 modulation signals of 28 Gbaud/s. The driver output incorporates a CML driver with a swing of 2.2 Vpp,d and features a programmable continuous-time equalizer that can quantitatively adapt to different channel losses, providing up to 6dB of pre-equalization. Performance measurements indicate a gain of 8dB with a bandwidth of 25 GHz. In tests with PAM4 input signals, the output eye diagram showed an eye opening of 288 mV and an eye width of 14.43 ps at 2.2 Vpp,d output. The driver exhibits low distortion, characterized by a THD of 5\% at 2.2 Vpp,d. The circuit operates with a 3V power supply, a 1mA current source, and has a power consumption of 506 mW.